一种基于栅格数据的瓦斯地质空间分析方法与流程

本发明属于煤矿安全技术领域，涉及基于栅格数据的瓦斯地质空间分析方法。

背景技术：

随着我国经济发展方式的转变，煤矿信息化和数字化催生了煤矿开采向智能化发展。目前，矿山软件平台数据处理集成性差、瓦斯地质图仍然以静态为主，高精度瓦斯地质三维模型构建尚未有成型技术，煤矿瓦斯地质空间透明化分析技术仍需探索。瓦斯地质空间透明化分析是实现煤炭智能化开采的基础，充分发挥瓦斯地质空间分析在安全生产中的作用，从区域上为突出危险性预测和制定防突措施提供依据。

国外地质采矿软件公司开发的三维地质采矿软件主要有petrol、surpac、gocad、micromine、surpac、datamine、lynx、vlcan、minesight、earthvision等，利用不同模型构建技术解决了复杂构造地质体建模，同时能够实现在静态模型基础上进行局部模型动态修正和更新。但是，这类软件操作难度高，建模过程复杂，普适性不强，而且价格昂贵，导致煤矿技术人员仍主要应用autocad等软件进行二维瓦斯地质分析，人工分析过程存在多次重复性工作，图形解算能力差，不具备数据挖掘功能，分析手段单一，图形表达仅限于人工绘制等值线或区块填充方式，未能对矿井采掘部署、抽采设计等产生足够的动态指导。

因此，亟需一种原理简单、普适性强的瓦斯地质空间分析方法，基于煤矿瓦斯地质基础栅格数据，进行栅格数据插值分析和代数运算，形成一套可以提供查询统计、专题制图和表面分析等手段的瓦斯地质空间分析方法，从宏观和动态的认识瓦斯地质空间状态，正确做好工作面采掘衔接部署工作，有的放矢的做好瓦斯抽采工作，超前精准做好瓦斯灾害防治工作。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于栅格数据的瓦斯地质空间分析方法，通过建立煤矿瓦斯地质基础栅格数据，进行栅格数据插值分析和代数运算，填补数据稀疏区、空白区和计算生成新的瓦斯地质特征数据栅格，以基于栅格数据的查询统计、专题制图和表面分析等手段，对煤矿瓦斯地质空间信息透明化分析，真实反映矿井瓦斯地质空间状况，辅助煤矿工作人员宏观部署工作面采掘衔接、瓦斯抽采设计等，提高瓦斯灾害防治效率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于栅格数据的瓦斯地质空间分析方法，包括以下步骤，

s1：建立煤矿瓦斯地质基础栅格数据；

s2：栅格数据插值分析和代数运算；

s3：进行瓦斯地质空间分析。

进一步，步骤s1包括：将一个平面空间进行行和列的规则划分，形成有规律的网格，每个网格(像元)都有给定的值来表示相应的特征数据，如地面高程、煤层底板高程、煤层厚度、煤层埋深等。栅格数据相对于矢量数据可以更方便快捷的进行数据插值分析和代数运算。

进一步，步骤s2中，所述栅格数据插值分析为，插值是指利用已知的样点去预测或者估计未知样点的数值，通过对高程点、等高线、等值线数据的插值分析产生栅格数据。栅格数据插值使得矿井数据稀疏区和高密度区都达到了较好的融合。

进一步，步骤s2中，所述代数运算为，通过基础栅格数据之间的代数运算，得到新的瓦斯地质参数栅格数据，如地面高程数据减去煤层底板数据得到煤层埋深数据，根据煤层埋深与瓦斯压力、瓦斯含量的相关关系计算公式进行代数运算得到瓦斯压力栅格、含量栅格。栅格数据良好的代数运算能力有利于大数据关联分析。

进一步，步骤s3中所述瓦斯地质空间分析包括查询统计、专题制图和表面分析；

所述查询统计包括查询坐标点所在位置的栅格数据值、查询极值及表面量算。查询极值为基于栅格数据查询瓦斯地质参数在任意区域范围内的最大值、最小值等；表面量算为计算任意区域内三维曲面与一个基准平面之间的空间上的体积，三维曲面由瓦斯地质参数栅格数据拟合而成，可用于统计区域内的瓦斯储量；

所述专题制图包括单值专题图和分段专题图。单值专题图为对每个栅格值使用不同的颜色进行渲染，得到渐变的栅格单值专题图，可反映全范围内瓦斯地质规律在空间上的变化情况；分段专题图为按照设定的区间设置不同的颜色进行渲染，得到栅格分段专题图，可反应瓦斯地质规律在某一段区间值的范围覆盖情况；

所述表面分析包括提取等值线、等值面，变化率分析，剖面分析及填挖方分析；

所述提取等值线、等值面包括按间距提取等值线、等值面，和提取设定值的等值线、等值面。如基于煤层埋深栅格提取煤层埋深等值线，基于瓦斯含量栅格提取煤层含量等值线、等值面等；

所述变化率分析，通过计算栅格像元点相对周围像元点的坡度，得到坡度栅格。如对煤厚栅格进行坡度运算，得到煤厚变化率栅格；

所述剖面分析，通过沿指定线对栅格进行剖切分析，可得到沿线栅格值的变化情况。如沿巷道走向分析埋深变化情况、瓦斯量变化情况等；

所述填挖方分析，通过对指定栅格进行填挖方分析，得到区域内体积的变化情况，如反映区域内执行瓦斯抽采措施以后，瓦斯量的变化及剩余情况。

本发明的有益效果在于：

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述基于栅格数据的瓦斯地质空间分析方法流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提供的一种基于栅格数据的瓦斯地质空间分析方法，包括以下步骤，

s1：建立煤矿瓦斯地质基础栅格数据；

s2：栅格数据插值分析和代数运算；

s3：瓦斯地质空间分析。

通过该技术方案，可对煤矿瓦斯地质空间信息以栅格数据方式进行动态表达，实现矿井地理信息、地质信息、瓦斯信息可视化，实现空白区域动态预测，并通过各种专题制图表达、查询统计、表面分析等手段实现瓦斯地质空间分析。

其中，地面高程、煤层底板高程等煤矿瓦斯地质基础栅格数据主要根据煤矿井上下对照图、采掘工程平面图获得，煤层厚度数据可根据地勘钻孔获得，煤层埋深可根据煤层底板高程、地面高程计算获得，煤层顶板高程可通过煤层底板高程和煤层顶板高程获得，煤层赋存状态可通过煤层顶板高程栅格和煤层底板高程栅格构建。

瓦斯含量、瓦斯压力、工作面瓦斯涌出量等参数栅格通过与煤层埋深或煤层标高栅格数据进行代数运算获得，相关关系模型公式的建立是基于井下瓦斯参数测定和煤层埋深或标高进行拟合获得的，在一定深度内呈线性关系。

本发明的算法非常简单，运算复杂度低、运算速度快，可根据煤矿科研和生产过程中不断增补的瓦斯地质信息及时更新栅格数据及其图形，动态监测和分析瓦斯地质空间。

在本实施例中，首先，建立煤矿瓦斯地质基础栅格数据，将煤矿地面高程、煤层底板高程、煤层厚度等基础参数等值线数据栅格化，形成每种特征数据有规律的网格面，每个网格(像元)都有给定的值来表示相应的特征数据。

其次，不可避免地，矿井范围内存在数据稀疏带或数据空白带，利用已知栅格数据样点插值分析未知样点的数值，使得整个矿井范围内每个网格的数据饱满。

然后，进行代数运算，利用高程数据减去煤层底板数据得到煤层埋深数据栅格：h3＝h1-h2，其中h1为地面标高，h2为煤层底板标高，h3为煤层埋深；通过煤层埋深与瓦斯含量的相关关系计算公式进行代数运算得到瓦斯含量栅格：w＝a*h3+b，w为煤层瓦斯含量，h3为煤层埋深，a为瓦斯含量梯度，b为常数。

最后，通过查询统计、专题制图和表面分析进行瓦斯地质空间分析，比如，实时查询当日采掘工作面的瓦斯含量、埋深，工作区的最大瓦斯压力，有利于工作环境预判和采取防突措施；通过微积分的方式(c＝w*d*s,c为瓦斯储量，d为单位网格煤层厚度，s为煤层网格面积)计算瓦斯储量，有利于瓦斯抽采部署；通过对瓦斯含量特征数据栅格值使用不同的颜色进行渲染，得到瓦斯含量单值专题图，反映矿井范围内瓦斯含量在平面空间上的变化情况；按照设定的区间(瓦斯压力，0～0.5为绿色，0.5～0.74为黄色，0.74以上为红色)设置不同的颜色进行瓦斯压力渲染，得到分段专题图，可反映瓦斯地质规律在某一段区间值的范围覆盖情况，有利于矿井工作面宏观部署和采掘衔接规划；基于瓦斯含量栅格提取瓦斯含量等值线或等值面；通过栅格像元点相对周围像元点的坡度计算，得到煤厚变化率栅格，有利于排查隐蔽致灾因素；通过沿指定线对栅格进行剖切分析，可得到某条巷道沿线瓦斯含量的变化情况，有利于提高巷道掘进效率，选取拟掘进巷道，自动获取其剖面地质空间信息及瓦斯含量的剖面分布；通过对指定栅格进行填挖方分析，得到区域内瓦斯储量的变化情况，反映区域内执行瓦斯抽采措施以后，瓦斯量的变化及剩余情况，有利于抽采达标动态评价。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。